CN109695188A - 一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构及其施工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构及其施工方法，其结构包括多年冻土路基，所述多年冻土路基内部沿铺设方向设有硬质保温板，所述硬质保温板内部设有若干个水格栅，每个所述水格栅内均填充有水。其方法包括如下步骤：(1)铺设下层多年冻土路基；(2)预制硬质保温板；(3)在下层多年冻土路基上方铺设预制好的硬质保温板；(4)在硬质保温板上方铺设上层多年冻土路基。本发明是一种主动型的多年冻土路基降温方法，能够持久的维持多年冻土路基热稳定性。

Description

一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构及其施工方法

技术领域：

本发明涉及一种多年冻土路基结构及其施工方法，特别是涉及一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构及其施工方法。

背景技术：

冻土是温度低于0℃并含有冰的岩土体。冻土按其存在时间的长短可分为短时冻土、季节性冻土和多年冻土。其中，多年冻土约占我国国土面积的21.5％，主要分布在我国的青藏高原、西部高山和东北大小兴安岭地区。近些年，随着我国西部大开发战略、振兴东北老工业基地战略以及一带一路等战略的实施，很多已建工程需要重新进行维修，许多新规划的工程需要在这些多年冻土区进行建设，而多年冻土区的冻胀融沉问题则是制约这些工程修建以及运营安全及稳定性的关键。以公路工程为例，青藏公路从修建到二期的运营维护，融沉问题始终是青藏公路冻害的主要形式，新规划修建的青藏高速公路为宽幅黑色沥青路面，其吸热量将远大于青藏公路，因此也将面临吸热后多年冻土路基的融沉问题。

如图1所示，多年冻土路基1修建过程中，一般需要对活动层4处于路基范围内的部分进行换填，由于传热介质和边界条件的变化，活动层4和多年冻土层5中的温度会发生重新分布。其中，边界条件的变化主要体现在从天然地表向路基边坡以及路面材料的转变。根据附面层原理，左右边坡的增温本来就会略高于天然地表，造成路基温度的上升，更重要的是在高等级路面中常采用以沥青宽幅路面为主的吸热路面进行铺设，此时根据附面层原理，路基温度附面层升温将比天然地表高出3.5℃左右，此时多余的热量吸收并向下传导将会打破原来多年冻土地层中的热平衡，其累计效应将造成多年冻土层5中温度升高或部分融化，导致多年冻土层中的强度降低，路基发生附加固结沉降，当沉降不均匀时就会造成路基路面出现波浪、不均匀融沉、滑塌等冻害问题。

在青藏公路、青藏铁路等多年冻土区公路工程的修建过程中，国内冻土学者提出了通过调控热辐射(遮阳棚、生态护坡等)、调控对流(块碎石路基、抛石路基等)和调控热传导(通风管、热管、保温板)等措施进行多年冻土的保护。其中，保温板由于具有较低的导热系数且具有较高的强度被广泛应用于多年冻土路基中，起到隔热保温的措施。然而，由于保温板不但在暖季有效阻挡了上部热量的传入，在冷季时也阻挡了上部冷能向路基下多年冻土地基中的传入，其累计效应是以消耗路基下多年冻土中存储的冷能作为代价，因此是一种被动型的多年冻土区路基降温措施，并不能持久的维持路基热稳定性。

发明内容：

本发明的第一目的在于提供一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构，其基本原理是基于水在负温下发生相变后变成冰，导热系数增大约4倍，从而导致冷季空气中的冷能向路基下多年冻土层中输入大于暖季中热量的输入，以此来抵消沥青等黑色路面的吸热效应，从而维持路基热稳定性。

本发明的第二目的在于提供一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构的施工方法。

本发明的第一个目的由如下技术方案实施：一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构，其包括多年冻土路基，所述多年冻土路基内部沿铺设方向设有硬质保温板，所述硬质保温板内部设有若干个水格栅，每个所述水格栅内均填充有水。硬质保温板为具有一定强度的导热系数较小的保温板，一般有PUR(聚氨酯)保温板、EPS(聚苯乙烯泡沫)保温板和XPS(多孔聚苯乙烯)保温板。

填充在每个所述水格栅内的所述水的体积为所述水格栅体积的92％～93％。

其中水格栅在硬质保温板的预制过程中进行设置，每个水格栅中的水量约为水格栅体积的92％，每个水格栅形成独立空间，水分不能发生渗漏。在正温下其水量设置可保证水格栅起到隔热的作用：水格栅中水分上部为封闭空气，导热系数约为0.025W/m·k，基本和硬质保温板的导热系数0.03W/m·k相近，可以起到很好的阻隔沥青路面热量传入下部土层中的作用，此时，水的导热系数约为0.55W/m·k，但由于垂直方向上，水格栅中的水的上界面未与水格栅盖板下界面直接接触，因此，对垂直方向的热传导影响较小，不利于热能的传入。在负温条件下，水格栅中的水发生相变成冰，体积增大到1.09倍，此时冰可以充满整个水格栅，而冰的导热系数为2.22W/m·k，是水的4倍，是空气和硬质保温板的74倍，因此是良好的热导体，可将冷季的冷能传递到多年冻土路基下方的活动层和多年冻土层中，有利于冷能的输入。气候冷暖交替的冷能的累计效应有利于吸热路面的吸热效应的抵消，多年冻土层中的年平均温度的降低和强度提高，从而有利于维持多年冻土路基的热稳定性。在实际操作中，多年冻土路基，硬质保温板以及水格栅的尺寸和布置均可根据实际工况进行理论计算和数值仿真确定。

所述硬质保温板包括硬质保温板上盖和硬质保温板下盖，所述硬质保温板上盖的底部设有若干上凹槽，所述硬质保温板下盖的顶部设有与所述上凹槽对应的下凹槽，所述上凹槽与所述下凹槽扣合后形成的凹槽形状与所述水格栅相同；每个所述水格栅对应镶嵌在所述凹槽内。

所述水格栅包括顶部敞口的水格栅槽和与所述水格栅槽的顶部敞口相匹配的水格栅盖板，沿所述水格栅槽的顶部槽壁设有环形插槽，所述水格栅盖板的底部对应所述环形插槽设有环形插销，环形插销上安装有橡胶密封环；所述环形插销密封插接于所述环形插槽内，通过橡胶密封环密封，使得所述水格栅盖板与所述水格栅槽密封扣合，可保证纯净水的密封性，不会在施工和运营过程中发生泄漏。水格栅槽和水格栅盖板的材料与硬质保温板的材料相同。

所述水格栅槽的内壁上设有水位线，所述水位线所标记的体积为填充在每个所述水格栅内的所述水的体积相同，设置水位线可保证加水过程的精确性。

本发明的第二个目的由如下技术方案实施：一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构的施工方法，其包括如下步骤：(1)铺设下层多年冻土路基；(2)预制硬质保温板；(3)在下层多年冻土路基上方铺设预制好的硬质保温板；(4)在硬质保温板层上方铺设上层多年冻土路基；其中，

(2)预制硬质保温板层：第一步，将预制好的水格栅槽底端对应镶嵌进硬质保温板下盖的下凹槽内；第二步，在所述水格栅槽内注水至水位线处；第三步，将所述环形插销密封插接于所述环形插槽内，使得所述水格栅盖板与所述水格栅槽密封扣合，形成一个独立的水格栅；第四步，将硬质保温板上盖底部的上凹槽与对应的下凹槽对应扣合，水格栅顶端镶嵌于对应的上凹槽内；第五步，硬质保温板上盖的底部与硬质保温板下盖的顶部接缝处密封黏贴。

硬质保温板中用来安装水格栅的预留空间可在生产时按照预先设计的尺寸进行生产，路基边缘部分可现场进行切割。

本发明的优点：在暖季冰相变成水体积减小，垂直方向空气的低导热性能体现出了硬质保温板的隔热作用，而在冷季水相变成冰体积增大，导热系数增大，增加了硬质保温板的冷能输入作用，因此本发明是一种主动型的路基降温方法，能够持久的维持路基热稳定性；且本发明结构简单，便于施工。

附图说明：

图1为实施例1整体结构示意图。

图2为实施例1中硬质保温板及水格栅拆分状态示意图。

图3为路基几何模型图。

图4为地基土体中的初始温度曲线。

图5为不同工况下多年冻土上限位置随路基修筑时间变化关系图。

多年冻土路基1，硬质保温板2，硬质保温板上盖2-1，硬质保温板下盖2-2，上凹槽2-3，下凹槽2-4，水格栅3，水格栅槽3-1，水格栅盖板3-2，环形插槽3-3，环形插销3-4，活动层4，多年冻土层5。

具体实施方式：

实施例1：如图1～2所示，一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构，其包括多年冻土路基1，多年冻土路基1内部沿铺设方向设有硬质保温板2，硬质保温板2内部设有若干个水格栅3，每个水格栅3内均填充有水。填充在每个水格栅3内的水的体积为水格栅3体积的92％，也可以为水格栅3体积的93％，或为水格栅体积的92％～93％之间的任意一个数值。

其中水格栅3在硬质保温板2的预制过程中进行设置，每个水格栅3中的水量约为水格栅3体积的92％，每个水格栅3形成独立空间，水分不能发生渗漏。在正温下其水量设置可保证水格栅3起到隔热的作用：水格栅3中水分上部为封闭空气，导热系数约为0.025W/m·k，基本和硬质保温板2的导热系数0.03W/m·k相近，可以起到很好的阻隔沥青路面热量传入下部多年冻土层中的作用，此时，水的导热系数约为0.55W/m·k，但由于垂直方向上水格栅中的水的上界面未与水格栅盖板3-2下界面直接接触，因此，对垂直方向的热传导影响较小，不利于热能的传入。在负温条件下，水格栅3中的水发生相变成冰，体积增大到1.09倍，此时冰可以充满整个水格栅3，而冰的导热系数为2.22W/m·k，是水的4倍，是空气和硬质保温板2的74倍，因此是良好的热导体，可将冷季的冷能传递到多年冻土路基1下方的活动层4和多年冻土层5中，有利于冷能的输入。气候冷暖交替的冷能累计效应有利于吸热路面的吸热效应的抵消，多年冻土层5中的年平均温度的降低和强度提高，从而有利于维持多年冻土路基1的热稳定性。在实际操作中，多年冻土路基1，硬质保温板2以及水格栅3的尺寸和布置均可根据实际工况进行理论计算和数值仿真确定。

一种优选的实现方式，硬质保温板2包括硬质保温板上盖2-1和硬质保温板下盖2-2，硬质保温板上盖2-1的底部设有若干上凹槽2-3，硬质保温板下盖2-2的顶部设有与上凹槽2-3对应的下凹槽2-4，上凹槽2-3与下凹槽2-4扣合后形成的凹槽形状与水格栅3相同；每个水格栅3对应镶嵌在凹槽内。

一种优选的实现方式，水格栅3包括顶部敞口的水格栅槽3-1和与水格栅槽3-1的顶部敞口相匹配的水格栅盖板3-2，沿水格栅槽3-1的顶部槽壁设有环形插槽3-3，水格栅盖板3-2的底部对应环形插槽3-3设有环形插销3-4，环形插销3-4上安装有橡胶密封环；环形插销3-4密封插接于环形插槽3-3内，通过橡胶密封环密封，使得水格栅盖板3-2与水格栅槽3-1密封扣合，可保证纯净水的密封性，不会在施工过程中发生泄漏。水格栅槽3-1和水格栅盖板3-2的材料与硬质保温板2的材料相同。

水格栅槽3-1的内壁上设有水位线，水位线所标记的体积为填充在每个水格栅3内的水的体积相同，设置水位线可保证加水过程的精确性。

实施例2：如图1～2所示，实施例1所述的一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构的施工方法，其包括如下步骤：(1)铺设下层多年冻土路基；(2)预制硬质保温板；(3)在下层多年冻土路基上方铺设预制好的硬质保温板；(4)在硬质保温板层上方铺设上层多年冻土路基；其中，

(2)预制硬质保温板层：第一步，将预制好的水格栅槽3-1底端对应镶嵌进硬质保温板下盖2-2的下凹槽2-4内；第二步，在水格栅槽3-1内注水至水位线处；第三步，将环形插销3-4密封插接于环形插槽3-3内，使得水格栅盖板3-2与水格栅槽3-1密封扣合，形成一个独立的水格栅3；第四步，将硬质保温板上盖2-1底部的上凹槽2-3与对应的下凹槽2-4对应扣合，水格栅3顶端镶嵌于对应的上凹槽2-3内；第五步，硬质保温板上盖2-1的底部与硬质保温板下盖2-2的顶部接缝处密封黏贴。

硬质保温板2中用来安装水格栅3的预留空间可在生产时按照预先设计的尺寸进行生产，路基边缘部分可现场进行。

实施例3：针对本发明原理，本实施例采用有限元方法进行了数值模拟，并给出了计算过程及结果：

1、控制方程

基于傅里叶传热定律及能量守恒方程，可以得到二维热传导方程如式(1)所示：

式中：ρ为土体密度；C为路基土体视比热容，如式(2)所示；T为土体中任一点温度；λ为土体视导热系数，如式(3)所示；t为时间；(x，y)为坐标点。

考虑到土体在冻融过程中比热容和导热系数与土的冻结状态有直接的关系，其中土的比热容会受到土体相变及未冻水含量变化过程的影响，因此可采用考虑相变的土体视比热容和导热系数的计算方法，如下：

式中：L为水的相变潜热；C_u、C_f为融土及冻土的比热；λ_u、λ_f分别为融土及冻土的导热系数，W、W_u分别为冻土的总含水量及未冻水含量，T_p、T_b分别为冻土的剧烈相变区上、下界温度值。

2、计算模型

2.1几何模型

几何模型图即为数值计算所针对的实体的几何形状，由于路基沿延伸方向可认为保持不变，因此可将三维问题简化为平面问题进行计算，取路基一个横截面进行计算，同时路基关于路中线属于对称结构，因此可取半幅路基横截面进行计算，计算结果和三维模型计算结果相同，但是这种建模方法可以大幅的减小计算量。本实施例在对多年冻土区路基高度研究的过程中，不考虑阴阳坡效应，可认为所取路基横断面模型关于中线对称，因此取路基一半进行计算，几何模型如图3所示，其中，L1为半幅沥青路面，宽度取为5m；L2为路基边坡，坡率为1∶1.5；L3为天然地表，宽度取为30m；L6为路基中线，为对称边界，深度取为30m；L4为绝热边界，深度与L6相同；L5为下边界，为热流密度边界，宽度与上边界宽度相同。

2.2初边值条件

2.2.1初始条件

地基土体天然温度是在没有路基工程扰动条件下地层中的温度分布，即温度随深度的变化规律，是特定的地层条件下长期冷热循环作用下形成的，其下部温度基本稳定，上部温度随着气温变化发生变化。本实施例在计算过程中给定路基修筑时初始条件为5℃温度，然后在给定边值条件下进行计算，到地基中温度年变化趋于稳定时，得到地基土体中的初始温度曲线如图4所示(选取了480年冷热变化稳定后的7月份的温度(施工一般在七月份)。在路基修建后温度场数值计算中地面以下的初始温度场将图4曲线采用三次样条曲线进行拟合，并输入有限元软件中；路基初始温度给定5℃。同时，对第480年一年内的温度场进行分析，可获取多年冻土的天然上限为地面以下2.1m(对应时间为第480年的11月)。

2.2.2边界条件

上边界(L1、L2和L3)：上边界为给定温度边界条件，根据青藏高原气温变化情况，可将计算模型边界气温年变化情况拟合成正弦曲线的形式，如式4所示：

式中：T为温度值(℃)；T₀为年平均气温，开心岭地区为-4.79℃；ΔT为附面层增温，沥青路面L1为6.5℃，路堤边坡L2为4.0℃，天然地表L3为2.5℃；A为边界温度年振幅，沥青路面L1为14.5℃，路堤边坡L2为13.2℃，天然地表L3为11.5℃；t为时间(h)；为计算初始相位，代表7月份。

左右边界(L4和L6)：两个边界均为x方向热绝缘边界，如式5所示：

-n_x·q＝0 (5)

式中：n_x为x方向的方向向量；q为热通量。

下边界(L5)：下边界L5为热流通量边界，如式6所示：

-n_y·q＝0.03W/m² (6)

式中：n_y为y方向的方向向量；q为热通量。

2.3计算参数

计算地区位于青藏高原，基本土层有4层，从地表向下分别为卵石亚砂土、砾砂、亚黏土和砂岩夹泥岩，路堤填土为卵石土。各土层及硬质保温板、空气、水(冰)的基本物理参数如表1所示。

表1 土层物性参数

计算步长为3d，共计算50a，分析公路路基修建50a中路基温度场的变化情况，计算工况分别为未使用任何措施、采取普通保温板措施以及采用本发明措施，计算后提取路基修筑后1a、2a、5a、10a、20a和50a中多年冻土稳定上限的位置进行分析。多年冻土上限是一年中活动层最厚时活动层与多年冻土层之间的分界位置，尽管活动层的厚度随着气温的变化会发生变化，但多年冻土上限的位置却是相对稳定的，但当工程扰动时，附加的热量输入会导致多年冻土上限向下移动，多年冻土层发生融化，路基失去热稳定性，因此，工程中常以此为指标分析路基热稳定性。

3、计算结果分析

三种不同工况下计算所得的多年冻土上限位置随路基修筑时间的关系如图5所示。可以看出，3m路基修筑后，在没有采取任何措施的情况下，第1a多年冻土上限恰好在30m，即地表位置，后面快速下降，50a内多年冻土上限位置较初始位置下降多达1.7m；而采取保温板措施后，第1a内多年冻土上限有所提高，约为1.35m，但随着时间的推移仍然下降较多，50a后基本接近地表位置，多年冻土上限较初始位置下降多达1.2m；而采用本发明时，50a内的多年冻土上限下降较初始仅为0.6m，且50a后多年冻土上限仍高于天然地表0.8m左右。因此，本发明在抬升多年冻土上限，提高多年冻土路基热稳定性方面具有明显的效果。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构，其特征在于，其包括多年冻土路基，所述多年冻土路基内部沿铺设方向设有硬质保温板，所述硬质保温板内部设有若干个水格栅，每个所述水格栅内均填充有水。

2.根据权利要求1所述的一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构，其特征在于，填充在每个所述水格栅内的所述水的体积为所述水格栅体积的92％～93％。

3.根据权利要求1或2所述的一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构，其特征在于，所述硬质保温板包括硬质保温板上盖和硬质保温板下盖，所述硬质保温板上盖的底部设有若干上凹槽，所述硬质保温板下盖的顶部设有与所述上凹槽对应的下凹槽，所述上凹槽与所述下凹槽扣合后形成的凹槽形状与所述水格栅相同；每个所述水格栅对应镶嵌在所述凹槽内。

4.根据权利要求3所述的一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构，其特征在于，所述水格栅包括顶部敞口的水格栅槽和与所述水格栅槽的顶部敞口相匹配的水格栅盖板，沿所述水格栅槽的顶部槽壁设有环形插槽，所述水格栅盖板的底部对应所述环形插槽设有环形插销；所述环形插销密封插接于所述环形插槽内，使得所述水格栅盖板与所述水格栅槽密封扣合。

5.根据权利要求4所述的一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构，其特征在于，所述水格栅槽的内壁上设有水位线，所述水位线所标记的体积为填充在每个所述水格栅内的所述水的体积相同。

6.根据权利要求5所述的一种基于水热相变原理的多年冻土路基结构的施工方法，其特征在于，其包括如下步骤：(1)铺设下层多年冻土路基；(2)预制硬质保温板；(3)在下层多年冻土路基上方铺设预制好的硬质保温板；(4)在硬质保温板上方铺设上层多年冻土路基；其中，

(2)预制硬质保温板层：第一步，将预制好的水格栅槽底端对应镶嵌进硬质保温板下盖的下凹槽内；第二步，在所述水格栅槽内注水至水位线处；第三步，将所述环形插销密封插接于所述环形插槽内，使得所述水格栅盖板与所述水格栅槽密封扣合，形成一个独立的水格栅；第四步，将硬质保温板上盖底部的上凹槽与对应的下凹槽对应扣合，水格栅顶端镶嵌于对应的上凹槽内；第五步，硬质保温板上盖的底部与硬质保温板下盖的顶部接缝处密封黏贴。